Kutatási fejlemények a repülőgép motor égési komorának aerodinamikai teljesítményéről nagy eddysimuláció alapján

Kutatási fejlemények a repülőgép motor égési komorának aerodinamikai teljesítményéről nagy eddysimuláció alapján

A vegyülési komor egyik központi összetevője egy repülőgép motorának, és a vegyülési komor aerodinamikai teljesítménye alapvető szerepet játszik a teljes motor teljesítményében. Annak érdekében, hogy megfeleljen az egyre szigorúbb technikai követelményeknek, amelyeket a motor vetít a vegyülési komorra, a vegyülés szervezési módja és áramlási jellemzői nagyon bonyolultak lettek. A diffúzer lassuló és nyomás-növelő folyamatában áramlási elválasztódás előfordulhat erős ellenálló nyomás-gradiens alatt; az légfolyam több szintű forgási eszközön halad át, amely nagyméretű vízivirág szerkezetet hoz létre, ami egyrészt megkönnyíti a folyadék üzemanyag atomizálását és felszívását, és egy erősen pulzáló, instabil keveréket alkot az üzemanyaggal, másrészt pedig egy álló tűzöt hoz létre az aerodinamikai visszatérési zónában; a fő vegyülési/keverési lyuk többféle jetjei interaktálnak a oldali folyással a lángcsövesben, amely fordított irányú vízivirág párt hoz létre, ami fontos hatással van a turbulens keverésre. Az áramlás alapján, többskálású fizikai és kémiai folyamatok, mint az atomizálás és felszívás, keverés, kémiai reakció, valamint a turbulencia és a láng közötti interakció erős összekapcsolódásban vannak, amelyek közösen meghatározzák a vegyülési komor aerodinamikai jellemzőit. Ezeknek a fizikai és kémiai folyamatoknak a pontos modellezése és számítása mindig is kutatási prioritást képzett hazai és külföldi szinten.

Az atomizáció, a fürdőzés, az összekeveredés és a felégetés folyamatai a fürdőző kamrában turbulens áramlás környezetében alakulnak ki és fejlődnek, ezért az áramlás a fürdőzőkamra aerodinamikai teljesítményének szimulálásának alapja. A turbulencia alapvető jellemzője, hogy az áramlási paraméterek véletlen rezgéseket mutatnak a nemlineáris konvekcziós folyamatok miatt. A turbulencia sok vízivonalstruktúrát tartalmaz. A különböző vízivonalak hosszúság- és időskálák terjedelme nagy, és ahogy a Reynolds-szám növekszik, a skálák közötti különbségek élesen növekednek. A turbulenciagyakorlók direkt megoldásának arányosításával történik a turbulencia szimulációja.  a módszerek direk numerikus szimulációra (DNS), Reynolds-átlagosított Navier-Stokes (RANS), nagy eddyszu simulacióra (LES) és keverékes turbulens szimulációs módszerekre osztódnak. A RANS módszer, amelyet gyakran használnak az mérnöki területen, megoldja a turbulens átlagos mezőt és modellt használ a turbulens rezgési információk szimulálásához. A számítási mennyiség kicsi, de a pontosság rossz. Az erős forgáskorlátos és instabil folyamatok esetén a kémberben a RANS nem felel meg a finom tervezés követelményeinek. Pitsch azt mutatta be, hogy az LES számítási bonyolultsága a RANS és a DNS között van, és jelenleg használnak közepes és alacsony Reynolds-számú turbulens égési számításokhoz a korlátozatlan térben. A turbulencia kicsi mérete miatt a kemencének falánál és a folyadék magas Reynolds-száma miatt az egyetlen képfej LES számításához szükséges rácsok száma százmilliótól milliárdig terjedhet. Ilyen magas számítási erőforrás-felhasználás korlátozza az LES widespread használatát a kémber szimulációkban.

A nagy pontosságú számítási modellek és módszerek kidolgozása a Nagyon Nagy Eddiesz Simuláció (VLES) és Hibrid RANS-LES módszer keretrendszerében fontos irányvonal a numerikus szimuláció területén. A Han és munkatársai által fejlesztett VLES módszer megoldja azon problémát, amelyet a hagyományos LES-ben a rács skála szűrője és a turbulencia skála illesztési korlátozások okoznak, ami alacsony számítási hatékonyságot eredményez, és lehetővé teszi a turbulencia többskálás jellemzői, az időbeli evolúciós jellemzők és a rács felbontás közötti összekapcsolt modellezést. A VLES adaptívan igazítja a turbulencia megoldás és a modell modellezés arányát a vortex struktúra evolúciója valódi idejű jellemzői alapján, észrevétlenül csökkenti a számítási költségeket anélkül, hogy kompromisszumot kötene a számítási pontossággal.

Általánosan véve, a tradicionális LES-hez képest a VLES elmélete és jellemzői még nem kerültek elég mélyre ható vizsgálatokra és alkalmazásokra. Ez a tanulmány rendszerezett módon ismerteti a VLES modellezési elméletét és annak alkalmazási hatásait a gyújtótartományokhoz kapcsolódó különféle fizikai helyzetekben, elősegítve a VLES nagy léptékű alkalmazását az repülőgép motorok gyújtótartomány-szimulációs területén.

Nagy Eddies Simulációs Metódus

A turbulencia-szimulációs módszerek hatása a számítási erőforrás-felhasználásra és a modellekre látható az 1. ábrán. A RANS, LES és VLES módszerek mind áramlásszimulációt érnek el turbulenciamodellezés keresztül. Megjegyezzük, hogy a VLES első egyértelmű definícióját Pope adta meg, amely azt jelenti, hogy „a számítógépes rács mérete túl durva ahhoz, hogy közvetlenül megoldott turbulens kinetikus energia legalább 80%-át adjuk vissza a teljes turbulens kinetikus energiából”. Egyben, Pope [6] az LES definíciója szerint „a számítógépes rács nagyon finom, hogy a közvetlenül megoldott turbulens kinetikus energia legalább 80%-át adjuk vissza a teljes turbulens kinetikus energiából”. Mindazonáltal figyelmeztetni kell arra, hogy ez a cikkben bemutatott VLES egy új számítási módszer, amely újrafogalmazva és fejlesztve lett az előző módszertől függetlenül. Bár a neveket megtartották, a mostani VLES módszer alapvetően eltér a Pope által definiált VLES-től. Az ábrából látható, hogy a klasszikus turbulenciamódok sorrendben a következők: RANS, URANS, hibrid RANS/LES, LES és DNS számítási pontosság szerint. Az új modellkeretrendszerben a turbulenciamódokat RANS, VLES és DNS alkotja számítási pontosság szerint. Azaz a VLES módszer több klasszikus turbulenciamódot egyesít, és különböző modellek lokális tulajdonságoknak megfelelően adaptívan átmennek és átalakulnak a valós számítások során.

Tipikus fizikai folyamatok szimulációja a megégetési komorában

Nagyon Nagy Eddies Szimuláció erős cirkulációs áramlás esetén

A repülőgép-motorok megégetési komorái általában többszintes és erős cirkulációval rendelkező áramlási formákat alkalmaznak. A cirkulációs áramlás a legalapvetőbb forma a megégetési komorában. Mivel a cirkuláció mind az áramlási irányban, mind a merőleges irányban dominál, a cirkuláció turbulens ingadozása nagyobb anizotrópiát mutat, mint a hagyományos csöves, csatorna vagy jet-áramlás. Ezért a cirkuláció numerikus szimulációja nagy kihívást jelent a turbulenciás szimulációs módszerek számára. Xia és munkatársai a VLES módszert használták a klasszikus erős cirkulációs áramlás példájának számításához a csöves példában; Dellenback és kollegái [14] áramlási mező-kísérleteket végeztek ezen a példán, és részletes kísérleti adatokat publikáltak. A számított példa áramlás Reynolds-száma 1,0. × 105 (a kör alapján a kör alakú cső átmérője) és a vízsgálati szám 1.23. Két típusú strukturált rács használatos a számításokhoz. A ritkás rácsok (M1) összesen kb. 900 000, míg a titkosított rácsok (M2) összesen kb. 5,1 millió. A számításokból kapott statisztikai eredmények további összehasonlítást végeznek az experimentális adatokkal a VLES módszer számítási pontosságának ellenőrzéséhez.

A különböző módszerek számítási eredményeinek összehasonlítása, valamint a kísérleti eredmények a rádiális eloszlás körében átlagos és inga végezett sebesség körzetének különböző lejáratoknál található eredményei erős forgófolyamat esetén láthatóak a 4. ábrán. Az ábrán a vízszintes és függőleges tengelyek dimenziótlan távolságokat és dimenziótlan sebességet jelölnek, ahol D1 az inlet kör alakú csövek átmérője, és Uin az inlet átlagos sebessége. Az ábra alapján látható, hogy a folyadékmező egy tipikus Rankin-szerű összetett víziviharát mutatja, amely lassan átmenetet tesz egyetlen merev test víziviharává. A számított és kísérleti eredmények összehasonlításával látható, hogy a VLES módszer magas számítási pontosságot biztosít az erős forgófolyamat perifériai sebesség előrejelzéséhez, ami jól egyezik a kísérleti mérések eloszlásával. A tradiicionális RANS módszer nagyon nagy eltérést mutat a forgófolyamat számításakor, és nem tud helyesen előre jelezni a térbeli evolúciót a forgófolyamat mezőjének és turbulens inga területének. Összehasonlítva, a VLES módszer rendkívül magas pontosságot mutat az átlagos sebesség mező, inga sebesség mező és térbeli evolúció előrejelzésében bonyolult erős forgófolyamat esetén, és még magas számítási pontosságot garantál relatíve ritka rács felbontás esetén is. A perifériai átlagos sebesség előrejelzéséhez a VLES módszer két csoportosított ritka és sűrű rács felbontás esetén alapvetően konzisztens számítási eredményeket ad.

Nagy Eddy Szimuláció Turbulens Égésre

A VLES módszer alkalmazhatóságának tanulmányozására turbulens égési problémák megjósolása terén [15-16], egy turbulens égési modell fejlesztése történt, amelyet a VLES módszerrel és a flammant generált sokaságokkal (FGM) kombináltak. Az alapvető ötlet az, hogy a turbulens láng lokálisan egy dimenziós láminalis lángstruktúráként viselkedik, és a turbulens lángfelület a láminalis lángfelületek sorozatának átlaga. Ezért a magasdimenziós komponens tér leképezhető egy alacsonyabb dimenziós folyamatminta több jellemző változóra (keverék arány, reakciós haladási változó stb.). A részletes reakciómechanizmus figyelembevételével szignifikánsan csökkenthető annak a száma, hogy mennyi szállítási egyenletet kell megoldani, ami jelentősen csökkenti a számítási költségeket.

A konkrét megvalósítási folyamat az FGM lamináris adattáblázat létrehozása a keverési arány és a reakció haladásának változóján alapulóan, a turbulens égés közötti interakció figyelembevételével feltételezve a valószínűségi sűrűségfüggvény módszert a lamináris adattáblázat integrálásához, és így kapjuk meg a turbulens adattáblázatot. A numerikus számítás során megoldjuk a keverési arány, a reakció haladásának változói és a hozzájuk tartozó szórások átvitel egyenleteit, és lekérdezéssel szerezhetőek be az égetési mező információi a turbulens adattáblából.

A VLES és FGM alapú turbulens égési modellt használták a számítógépes szimulációk végzésére a methane/levő turbulens jet-flammerel (Flame D) kapcsolatban, amelyt a szándeki laboratórium mérte Amerikában, és kvantitatív összehasonlítást végeztek az experimentális mérési adatokkal. A szándeki Flame D példa anyala (Reynolds-szám 22400) teljes keveréke metánból és levegből, térfogati arányban 1:3, aüzemi bementi sebesség kb. 49,9 m/s, és a nyomás sebessége kb. 11,4 m/s. A tevékeny flamma a megégett metán és levegő keveréke, míg a nyomásanyag tiszta levegő. A számítás strukturált rácsot használ, és a rácsok teljes száma kb. 1,9 millió.

Az átlagos tömeges komponensek eloszlását a tengely mentén a 5. ábra mutatja be. Az ábrán a vízszintes és függőleges koordináták dimenziómentes távolság (D2 az inlet jet csövészének átmérője) és dimenziómentes tömeges arány, illetve. Az ábra alapján látható, hogy a VLES módszer által előre jelezett fémkomponensek a felépülési folyamat során általában jól egyeznek meg az experimentális eredményekkel. A vegyes arány térben különböző lefelé haladó helyzetekben szóródó hőmérséklet eloszlása a 6. ábrán látható. Az ábra alapján látszik, hogy a VLES módszer által előre jelezett szóródási tendencia alapvetően összhangban van az experimentális eredményekkel, és csak a számított hőmérsékleti szélsőértéke ennél magasabb. A VLES által számított pillanatnyi rotáció, hőmérséklet és felbontási irányítási funkció eloszlása a 7. ábrán látható, ahol a sziluettvonal Zst=0.351 értéket veszi fel. Az ábra alapján látható, hogy a középső jet terület erős turbulens pulzálást mutat, és ahogy a mező fejlődik lefelé, a vortex szerkezet mérete lassan növekszik. A 7. ábra (b) és (c) részéből látható, hogy a legtöbb kémiai reakciós területen a felbontási irányítási funkció 0 és 1 között van, amely azt jelzi, hogy a helyi rács felbontása képes nagy léptékű turbulenciát figyelmezni, és csak a kis léptékű turbulenciát modellezni. Ebben az esetben a VLES mint közelítő nagy eddies simulációs mód viselkedik. A jet szeletrétegben és a lefelé haladó láng külső szélén a felbontási irányítási funkció közel 1-hez, ami azt jelzi, hogy a számítógépes rács truncált szűrőmérete nagyobb, mint a helyi turbulenciamego. Ebben az esetben a VLES mint instabil Reynolds-átlagoldás mód viselkedik. Összefoglalva látható, hogy a VLES módszer képes valós időben több turulenciós megoldási módot átalakítani a vortex szerkezet evolúciója alapján, és pontosan előre jelezheti a turbulens lángok instabil égési folyamatát.

Nagy eddiesimuláció a teljes atomizálási folyamatról

A repülőgép motorjának égéskamrájában használt üzemanyag nagy része folyékony üzemanyag. A folyékony üzemanyag az égéskamrába érkezik és elsődleges és másodlagos atomizálási folyamatokat menetel át. Sok nehézség van a folyékony üzemanyag teljes atomizálási folyamatának modellezésében, beleértve a gáz-folyadék kétfázisú topológiai felületi konfiguráció rögzítését, a folyadékoszlop deformációját és törését, valamint a folyadékcsík és fonalak cseppekbe való széttagolódásának fejlődését, és a turbulens áramlás és a cseppek közötti interakciót. Huang Ziwei [19] fejlesztette ki egy teljes atomizálási folyamat-szimulációs modellt a VLES módszerrel, amelyet VOFDPM hibrid atomizálási számítási módszerrel kapcsolt össze, megvalósítva így az üzemanyag atomizálásának teljes folyamatának numerikus szimulációját a folyékony anyag cseppekre való diszkretizálásától kezdve.

Újran kidolgozott atomizációs folyamat-szimulációs modellt használtak a klasszikus oldali áramlású folyadékoszlop-atomizációs folyamatok pontos numerikus számítására, és részletes összehasonlítást végeztek az open literatúrában található kísérleti eredményekkel [20] és a nagy eddies szimulációs számítási eredményekkel [21]. A számítási példában a gázfázis légkör, illetve 77,89 és 110,0 m/s sebességgel, míg a folyadékfázis folyadekvíz, amelynek sebessége 8,6 m/s. A megfelelő Weber-számok rendre 100 és 200. Az atomizáció jobb modellezéséhez a törési modell a Kelvin-Helmholtz és Rayleigh-Taylor (KHRT) modellt alkalmazza.

A VLES által előrejelzett teljes atomizációs folyamat a Weber-szám 100-es feltétel mellett látható az ábrán 8. Az ábra alapján látható, hogy a kezdeti területen egy vastag folyadékos oszlop képződik, majd a folyadékoszlop folyadékcsíkokra és fonalakra tör, és gázdinamikai erő hatására cseppekbe szakad, amelyek további másodlagos törés során kisebb cseppekbe bomlik. A VLES által számított áramlási sebesség és a szélességi irányú verzettség eloszlása a Weber-szám 100-as feltétel mellett látható az ábrán 9. Az ábra alapján látható, hogy a folyadékoszlop lehúzott oldalán egy tipikus lassú sebességű visszatérési zóna található. Azonnali verzettség-eloszlásból látható, hogy a folyadékoszlop lehúzott oldala erős vízivirágstruktúrákat mutat, és a lassú sebességű visszatérési zónában fellépő erős turbulens mozgás hozzájárul a folyadékoszlop lapjának töréséhez és a cseppek képződéséhez.

A kezdeti szivattyú átmérő és a folyadék szivattyú legalacsonyabb áramlási dimenziójának aránya, amikor a folyadék oszlop különböző Weber-számoknál elkezd szétszakadni, látható a 10. ábrán. Az ábrán di a folyadék szivattyú legalacsonyabb áramlási dimenziója azon a ponton, amikor a folyadékoszlop elkezd szétszakadni, míg D3 a kezdeti folyadékszivattyú átmérője. Az ábráról látható, hogy a VLES számítási eredmények jól egyeznek meg a kísérleti adatokkal, amelyek jobban felelnek meg ezeknek, mint a literátúrában található nagy eddysimulációs számítási eredmények [21].

Égési Instabilitás Nagyon Nagy Ednyaszimuláció

A kibocsátások csökkentésének igényeire való megfelelés érdekében a civil repülőgép-égészeket általában előkeveréses vagy részben előkeveréses gyenge égéses tervezik. Azonban a gyenge előkeveréses égés rosszabb stabilitást mutat és inkább kiváltja a hőacoustikusan összefüggő rezgési égés üzemmódokat, amelyek az égés instabilitásához vezethetnek. Az égés instabilitása nagyon pusztító hatással bír és problémák, mint például az égés visszaterjedése és a szilárd anyag deformációja is előfordulhat, ami egy kiemelt probléma az égészék tervezésének számára.

A véges elemű számítás elosztása két kategóriára történik: a dekuplázási módszerre és az irányított dekuplázási módszerré. A dekuplázott égési instabilitás előrejelzési módszer elkülöníti az instabil égést és az acoustikai megoldást. Az instabil égéshez számos numerikus számítási minta szükséges egy megbízható flammaleíró függvény létrehozásához. Ha a nagy eddies simulációs számítási módszert használjuk, annak számítási erőforrás-fogyasztása túl nagy lenne. Az irányított dekuplázási számítási módszer a tömörített megoldási módszert használja, és közvetlenül kapja meg az égési instabilitás eredményét a magas-pontosságú instabil számítással, azaz az instabil égés és az akusztika kötött számítási folyamata egyszer végződik ugyanabban a számítási keretben adott működési feltételek mellett.

A gyújtási instabilitás szimulációjának decoupling-jének tanulmányozásában Huang és munkatársai [27] kidolgoztak egy gyújtási instabilitás-számítási modellt, amelyet a VLES módszerrel és a vastagságos flamm-számítási módszerrel kapcsoltak össze, és pontos előrejelzést ért el az hangkivezetés hatására fellépő instabil gyúlás folyamatairól. A számítási példa egy Cambridge Egyetem által fejlesztett, tompa testes, álló etilén/lég teljes előkeveréses láng, 0,55-ös ekvivalenciárácioval és kb. 17000-as Reynolds-számmal. Az ábrázolás a VLES számítási eredmények és az experimentumok összehasonlítása az unalmas láng dinamikus jellemzőinek hangkivezetés alatt látható az 12. ábrán. Az ábrából látható, hogy az inlet-kivezetési folyamat során a láng felöleli magát a belső és külső nyírásrétegeken, és egy ellentétes irányú vízsvörös párba alakul. Ez a folyamat során a gomba alakú lángprofil evolúciója folyamatosan fejlődik a fázisszög változásával. A VLES számítási eredmények jól reprodukálják azt a láng-evolúciós jellemzőket, amelyeket az experimentumban figyelték meg. Az 160 Hz-es hangkivezetés esetén különböző számítási módszerekkel és experimentálisan mért hőfelszabadulási válasz amplitúdója és fáziskülönbség összehasonlítása látható az 13. ábrán. Az ábra Q' és Q ͂ a rezgő hőfelszabadulás és a közepes hőfelszabadulás a felcserélkedés során, illetve A a szinuszos hanghullám amplitúdója, míg az ábra 13 (b) tengelye a fáziskülönbség a hanghullámok alatti égés ideiglenes hőfelszabadulási jele és a bejáró sebesség kitérési jelének között. Az ábrából látható, hogy a VLES módszer előrejelzési pontossága összevetendő a nagy eddies simulációval [28], és mindkettő jól egyezik meg a kísérleti értékekkel. Bár az unsteady RANS módszer jól előrejelezzi a nemlineáris válasz trendjét, a számított kvantitatív eredmények nagyon eltérnek a kísérleti értékektől. A fáziskülönbség eredményei (Ábra 13 (b)) szerint a VLES módszer által előrejelezett fáziskülönbség trendje alapvetően egyezik a kísérleti eredményekkel a zavar amplitúdójával, míg a nagy eddies simuláció eredményei nem tudják jól előrejelezni a fentiek trendjét.